特許 7193804 圧電アクチュエータ、圧電式バルブ、及び圧電アクチュエータの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-13

(45)【発行日】2022-12-21

(54)【発明の名称】圧電アクチュエータ、圧電式バルブ、及び圧電アクチュエータの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/02 20060101AFI20221214BHJP

   F16K 27/02 20060101ALI20221214BHJP

   H01L 41/09 20060101ALN20221214BHJP

   H02N 2/04 20060101ALN20221214BHJP

【ＦＩ】

F16K31/02 A

F16K27/02

H01L41/09

H02N2/04

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019105449

(22)【出願日】2019-06-05

(65)【公開番号】P2020197292

(43)【公開日】2020-12-10

【審査請求日】2022-03-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000001812

【氏名又は名称】株式会社サタケ

(73)【特許権者】

【識別番号】502254796

【氏名又は名称】有限会社メカノトランスフォーマ

(74)【代理人】

【識別番号】110001151

【氏名又は名称】あいわ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100158702

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 卓也

(73)【特許権者】

【識別番号】000204240

【氏名又は名称】株式会社ＴＡＩＹＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110001151

【氏名又は名称】あいわ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100158702

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 卓也

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】特許業務法人 大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆文

(72)【発明者】

【氏名】松下 忠史

(72)【発明者】

【氏名】樋口 俊郎

(72)【発明者】

【氏名】徐 世傑

(72)【発明者】

【氏名】海老原 邦夫

(72)【発明者】

【氏名】平田 敏忠

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－３２９２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１７２６８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／００－３１／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータであって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいて、
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面は、前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されていることを特徴する圧電アクチュエータ。

【請求項2】

前記積層型圧電素子には、前記弁体の方向に前記与圧荷重が加えられている請求項１記載の圧電アクチュエータ。

【請求項3】

前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられており、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられている請求項２記載の圧電アクチュエータ。

【請求項4】

前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の変位を拡大する変位拡大部と、前記積層型圧電素子の変位を伝達する変位伝達部を有し、
前記変位伝達部は、前記積層型圧電素子の一端が接合されるＵ字状のベース基板と、前記積層型圧電素子の他端が接合されるキャップ部材を有し、前記ベース基板のＵ字状底部と前記キャップ部材との間に前記積層型圧電素子が組み込まれ、前記ベース基板のＵ字状底部を塑性変形させることで前記積層型圧電素子に前記与圧荷重が加えられており、
前記変位拡大部は、前記弁体と前記積層型圧電素子の長手方向軸線を結ぶ直線に対し対称に配置される一対のアームを有し、前記各アームのそれぞれがヒンジにより前記ベース基板の先端及び前記キャップ部材に対し一体とされ、前記各アームの外側先端部に前記一対の板バネが設けられており、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられている請求項３記載の圧電アクチュエータ。

【請求項5】

圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面に滑性化処理が施されている請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

【請求項6】

外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室を有するバルブ本体と、
前記気体圧力室から圧縮気体を排出する気体排出路を開閉する弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有し、前記バルブ本体の内部に配設される圧電アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記圧電アクチュエータには、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを用いることを特徴とする圧電式バルブ。

【請求項7】

前記請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータが固定され、当該圧電アクチュエータとともに前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに有し、前記プレートには、前記気体排出路及び前記気体排出路を開閉する前記圧電アクチュエータの前記弁体が当接する弁座が設けられる請求項６記載の圧電式バルブ。

【請求項8】

積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの製造方法であって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの製造方法において、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化することを特徴する圧電アクチュエータの製造方法。

【請求項9】

前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられ、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、研磨により前記弁体の前記表面を平滑化する請求項８記載の圧電アクチュエータの製造方法。

【請求項10】

前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、一部材により成形される一対の板バネであって中央部分に前記弁体の設置部が設けられる一対の板バネが、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、前記一対の板バネ間の前記設置部に一体成形により弁体を設けることで前記弁体の表面を平滑化する請求項８記載の圧電アクチュエータの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層型圧電素子の変位を利用して弁体を動作させる圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブ、及び前記圧電アクチュエータの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行い、圧縮気体を噴出する圧電式バルブが知られている（特許文献１を参照。）。

【0003】

特許文献１に記載された圧電式バルブは、高速応答性能に優れる積層型圧電素子の特性を利用するものであり、前記積層型圧電素子の変位を利用して弁体を開閉動作させる圧電アクチュエータを備えるものである。

【0004】

前記圧電アクチュエータは、前記積層型圧電素子の小さな変位をテコの原理に基づいて拡大する変位拡大機構を有し、前記変位拡大機構の先端部には前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられ、前記一対の板バネ間に弁体が設けられている。

【0005】

前記圧電式バルブは、前記積層型圧電素子に電圧を印加すると、該積層型圧電素子の伸長方向への変位が前記変位拡大機構を介して前記弁体に伝わり、前記弁体を速やかに移動させて開弁する。
また、前記圧電式バルブは、前記積層型圧電素子への電圧印加を解除すると、該積層型圧電素子の原状復帰に伴う復帰力が前記変位拡大機構を介して前記弁体に伝わり、該弁体を速やかに弁座に当接させて閉弁する。

【0006】

ところで、前記圧電アクチュエータは、前記積層型圧電素子の引張力に対する強度の向上を図るため、前記変位拡大機構に装着された積層型圧電素子に対し、予め積層型圧電素子の伸張方向（長手方向）に与圧荷重が加えられている。

【0007】

ところが、前記圧電アクチュエータは、前記与圧荷重によって前記変位拡大機構が歪むため、前記一対の板バネ間に設けられる前記弁体の前面が変形し、圧電式バルブを組み立てた際、前記弁体の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクがある。

【0008】

特許文献１に記載されているように、圧電式バルブの組み立てに際し、前記圧電アクチュエータの弁体を弁座面に対し潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐことは可能であるが、前記与圧荷重によって弁体の前面が変形している場合には、前記潰し代を大きくとる必要があり、弁体の開閉動作が遅くなったり、弁体の動作量が小さくなったりして、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができず、圧電式バルブの性能を低下させる問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１３－１０８５６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明は、弁体の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクを軽減することができる圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブ、及び前記圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明は、
積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータであって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいて、
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面は、前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されていることを特徴する。

【0012】

本発明の圧電アクチュエータは、
前記積層型圧電素子には、前記弁体の方向に前記与圧荷重が加えられていることが好ましい。

【0013】

本発明の圧電アクチュエータは、
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられており、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられていることが好ましい。

【0014】

本発明の圧電アクチュエータは、
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の変位を拡大する変位拡大部と、前記積層型圧電素子の変位を伝達する変位伝達部を有し、
前記変位伝達部が、前記積層型圧電素子の一端が接合されるＵ字状のベース基板と、前記積層型圧電素子の他端が接合されるキャップ部材を有し、前記ベース基板のＵ字状底部と前記キャップ部材との間に前記積層型圧電素子が組み込まれ、前記ベース基板のＵ字状底部を塑性変形させることで前記積層型圧電素子に前記与圧荷重が加えられており、
前記変位拡大部が、前記弁体と前記積層型圧電素子の長手方向軸線を結ぶ直線に対し対称に配置される一対のアームを有し、前記各アームのそれぞれがヒンジにより前記ベース基板の先端及び前記キャップ部材に対し一体とされ、前記各アームの外側先端部に前記一対の板バネが設けられており、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられていることが好ましい。

【0015】

本発明の圧電アクチュエータは、
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面に滑性化処理が施されていることが好ましい。

【0016】

また、上記目的を達成するため、本発明は、
外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室を有するバルブ本体と、
前記気体圧力室から圧縮気体を排出する気体排出路を開閉する弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有し、前記バルブ本体の内部に配設される圧電アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記圧電アクチュエータには、上記いずれかに記載の圧電アクチュエータを用いることを特徴とする。

【0017】

本発明の圧電式バルブは、
上記いずれかに記載の圧電アクチュエータが固定され、当該圧電アクチュエータとともに前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに有し、前記プレートには、前記気体排出路及び前記気体排出路を開閉する前記圧電アクチュエータの前記弁体が当接する弁座が設けられることが好ましい。

【0018】

さらに、上記目的を達成するため、本発明は、
積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの製造方法であって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの製造方法において、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化することを特徴する。

【0019】

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられ、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、研磨により前記弁体の前記表面を平滑化することが好ましい。

【0020】

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、一部材により成形される板バネであって中央部分に前記弁体の設置部が設けられる一対の板バネが、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、前記一対の板バネ間の前記設置部に一体成形により弁体を設けることで前記弁体の表面を平滑化することが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明の圧電アクチュエータは、圧電式バルブの弁座に当接する弁体の表面が、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されているので、圧電式バルブを組み立てた際、前記弁体の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクを軽減することができる。
また、本発明の圧電アクチュエータは、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。

【0022】

本発明の圧電アクチュエータは、
圧電式バルブの弁座に当接する弁体の表面に滑性化処理が施されていることとすれば、前記弁体の表面の非粘着性、滑性を高めることができるので、圧電式バルブを組み立てた後、該圧電式バルブを長時間動作させなかった場合でも、前記弁体が弁座面に付着し離れにくくなって動作不良を起こすことを防止することができる。

【0023】

本発明の圧電式バルブは、圧電式バルブの弁座に当接する弁体の表面が、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されている圧電アクチュエータを用いるので、前記弁体の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクを軽減することができる。
また、本発明の圧電式バルブは、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。

【0024】

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化するので、前記弁体の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクを軽減することができる圧電アクチュエータを製造することができる。
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化するので、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる圧電アクチュエータを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は圧電式バルブの斜視図である。

【図2】図２は圧電式バルブの組立分解図である。

【図3】図３は圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの説明図である。

【図4】図４は圧電式バルブに用いる弁座プレートに圧電アクチュエータを固定した状態の説明図である。

【図5】図５は圧電式バルブの断面図であって、弁座プレートをバルブ本体内部に配設した状態の説明図である。

【図6】図６は図３のＡ部拡大図であって、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態の圧電アクチュエータの説明図である。

【図7】図７は図６の圧電アクチュエータにおいて、弁体の表面が平滑化されている様子の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、圧電式バルブの一例であって斜視図を示す。図２は、図１の圧電式バルブの組立分解図を示す。図３は、図１の圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの説明図を示す。図４は、図１の圧電式バルブに用いる弁座プレートに圧電アクチュエータを固定した状態の説明図を示す。図５は、図１の圧電式バルブの断面図であって、弁座プレートをバルブ本体内部に配設した状態の説明図を示す。
図１乃至図５に示す圧電式バルブ１０は、バルブ本体２０、前記バルブ本体２０の内部に配設されるとともに該バルブ本体２０に固定される弁座プレート２５、前記弁座プレート２５の両面にネジで固定される圧電アクチュエータ３０を備える。

【0027】

前記バルブ本体２０は、前面が開口するケースであって、内部には外部の圧縮気体供給源（図示せず）から圧縮気体の供給を受ける気体圧力室を備える。
また、前記バルブ本体２０の前面には、コネクタ部５０が設けられる。前記コネクタ部５０の前面には、該バルブ本体２０内に圧縮気体を吸入する気体吸入口５１及び前記圧縮気体を排出する気体排出口５２が開口する。

【0028】

前記バルブ本体２０と前記コネクタ部５０の間には、積層型圧電素子３２（以下、「圧電素子」という）に給電するための配線基板５５が配設され、前記コネクタ部５０の一側端であって前記バルブ本体２０の側方位置に、前記配線基板５５を介して前記圧電素子３２に給電するための配線コネクタ２９が配設される。

【0029】

前記弁座プレート２５は、前記圧電アクチュエータ３０の取り付け部を両面に備えるとともに、前記圧電アクチュエータ３０の後述する弁体３１が当接する弁座２６を有する。また、前記弁座プレート２５の前方突出部２５１には、前記弁座２６の弁座面から前記コネクタ部５０の前記気体排出口５２へ連通する気体排出路２６１が形成される。

【0030】

前記弁座プレート２５の前面には、前記バルブ本体２０の開口を閉鎖する蓋材２８が取り付けられる。前記蓋材２８には、前記弁座プレート２５の前記前方突出部２５１が嵌合する開口部２８１が形成される。また、前記蓋材２８には、前記コネクタ部５０の前面に開口する気体吸入口５１から前記バルブ本体２０内に連通する気体吸入路２８２が形成される。

【0031】

前記弁座プレート２５は、例えば合成樹脂材料により成形され、前記配線基板５５から前記圧電素子３２への配線がモールドされる。
また、前記弁座プレート２５の後方位置には、図示しない前記圧電素子３２のリード線と接続される前記配線の電極が露出する。

【0032】

前記圧電アクチュエータ３０は、図３に示すように、弁体３１、該弁体３１の動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子３２、前記圧電素子３２の変位を拡大して前記弁体３１に作用させる変位拡大機構３３を備える。

【0033】

前記圧電素子３２には、例えば内部電極層が露出する側面を含む全周面がエポキシ樹脂で薄く被覆された樹脂外装型圧電素子を用いることができる。
また、前記弁体３１には、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）やフッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＥＰＭ、ＦＦＫＭ）を用いることができる。前記弁体３１に用いる前記ニトリルゴムやフッ素ゴムは、例えば硬度８０±１０のものとすることが好ましい。

【0034】

前記弁体３１には、少なくとも弁座２６の弁座面に当接する表面にハロゲン化処理等による滑性化処理を施すことができる。
前記圧電式バルブ１０を長時間動作させなかった場合、ゴム製の前記弁体３１が樹脂製の弁座２６の弁座面に付着して離れにくくなり、動作不良を起こすおそれがあるが、前記弁体３１の少なくとも弁座に当接する表面に滑性化処理を施して非粘着性、滑性を高めることとすれば、前記動作不良を防止することができる。

【0035】

前記変位拡大機構３３は、前記圧電素子３２の変位を拡大する変位拡大部３４と、前記圧電素子３２の変位を前記変位拡大部３４に伝達する変位伝達部３５を有し、前記弁体３１の動作方向の軸線、ここでは、前記弁体３１と前記圧電素子３２の長手方向軸線を結ぶ直線に対して対称に配置される。

【0036】

前記変位伝達部３５は、前記圧電素子３２の一端が接合されるＵ字状のベース基板３６と、前記圧電素子３２の他端が接合されるキャップ部材３７を有する。前記圧電素子３２が前記Ｕ字状のベース基板３６の空間内に配設されることで、前記変位拡大機構３３は前記圧電素子３２の長手方向軸線を中心として対称な配置とされる。

【0037】

ここで、前記圧電素子３２は、前記Ｕ字状のベース基板３６の空間内であって該ベース基板３６のＵ字状底部３６１と前記キャップ部材３７との間に例えば接着剤を介して組み込まれ、前記ベース基板３６のＵ字状底部３６１を塑性変形させることで、前記一端が前記ベース基板３６のＵ字状底部３６１に接合され、前記他端が前記キャップ部材３７に接合される。前記圧電素子３２には、前記ベース基板３６のＵ字状底部３６１を塑性変形させることで、前記弁体３１の方向（弁体３１に押し付ける方向）に与圧荷重が加えられる。

【0038】

前記変位拡大部３４は、前記弁体３１と前記圧電素子３２の長手方向軸線を結ぶ直線に対して対称な配置とされる第１及び第２変位拡大部３４ａ，３４ｂから構成される。
前記第１変位拡大部３４ａは、第１及び第２ヒンジ３９，４０、第１アーム４１及び第１板バネ４２を有する。前記第１アーム４１は前記第１ヒンジ３９により前記Ｕ字状のベース基板３６の一方側先端に対し一体とされ、前記第２ヒンジ４０により前記キャップ部材３７に対し一体とされる。前記第１アーム４１の外側先端部には、前記第１板バネ４２の一端が接合される。

【0039】

他方、前記第２変位拡大部３４ｂは、第３及び第４ヒンジ４３，４４、第２アーム４５及び第２板バネ４６を有する。前記第２アーム４５は前記第３ヒンジ４３により前記Ｕ字状のベース基板３６の他方側先端に対し一体とされ、前記第４ヒンジ４４により前記キャップ部材３７に対し一体とされる。前記第２アーム４５の外側先端部には、前記第２板バネ４６の一端が接合される。
ここで、前記変位拡大機構３３は、例えば前記第１及び第２板バネ４２，４６を除き、インバー材を含むステンレス材等の金属材料を打ち抜いて一体に成形することができる。

【0040】

また、前記第１板バネ４２と前記第２板バネ４６は、例えば一枚の金属板材から成形することができる。ここでは、前記第１板バネ４２と前記第２板バネ４６は、前記圧電素子３２の長手方向軸線に対し対称であって中央部分に前記弁体３１の設置部４８、例えば前記圧電素子３２の長手方向軸線に直交する平坦な設置面を有する形状に成形された一枚の金属板材の両側部分に形成されている。そして、前記第１及び第２板バネ４２，４６の一端は、それぞれ前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部に接合されており、前記弁体３１は、前記第１及び第２板バネ４２，４６の他端間であって前記圧電素子３２の長手方向軸線上に位置する前記設置部４８に設けられている。

【0041】

前記圧電アクチュエータ３０は、閉弁状態において前記圧電素子３２に通電すると、当該圧電素子３２が伸長する。当該圧電素子３２の伸長に伴う変位は、前記変位拡大機構３３において、前記第１及び第３ヒンジ３９，４３を支点、前記第２及び第４ヒンジ４０，４４を力点、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部を作用点としてテコの原理により拡大され、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部を大きく変位させる。

【0042】

そして、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部の変位は、前記第１及び第２板バネ４２，４６を介して前記弁体３１を前記弁座２６から離間させ、前記気体排出路２６１を開放する。

【0043】

他方、上記圧電アクチュエータ３０は、前記圧電素子３２への通電が解除されると該圧電素子３２が収縮し、当該収縮が前記変位拡大機構３３を介して前記弁体３１を前記弁座２６に着座させ、前記気体排出路２６１を閉鎖する。

【0044】

なお、前記第１板バネ４２と前記第２板バネ４６を別部材により成形し、前記第１板バネ４２の他端に前記弁体３１の一方側の側端部を接合し、前記第２板バネ４６の他端に前記弁体３１の他方側の側端部を接合することで、前記第１及び第２板バネ４２，４６の他端間に前記弁体３１を設けることもできる。

【0045】

図６は、図３のＡ部拡大図であって、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態の圧電アクチュエータの説明図を示す。図７は、図６の圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で弁体の表面が平滑化されている様子の説明図を示す。
前記圧電アクチュエータ３０は、ベース基板３６のＵ字状底部３６１を塑性変形させることで、圧電素子３２には弁体３１の方向に与圧荷重が加えられるため、前記変位拡大機構３３が歪み、例えば、図６に示すように、前記第１板バネ４２及び第２板バネ４６の他端間であって前記設置部４８に設けられる前記弁体３１の前面が凹状に変形し、圧電式バルブを組み立てた際、前記弁体３１の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクがある。

【0046】

そこで、本発明の実施の形態では、前記圧電アクチュエータ３０は、前記弁体３１の前面が、圧電素子３２に与圧荷重が加えられた状態で前記圧電素子３２の長手方向軸線、即ち前記弁体３１の動作方向の軸線に直交するよう平滑化されている。

【0047】

例えば、本発明の実施の形態において、前記圧電アクチュエータ３０は、図７に示すように、凹状に変形した前記弁体３１の前面を、研磨により平滑化することができる。

【0048】

また、本発明の実施の形態において、前記圧電アクチュエータ３０は、圧電素子３２に与圧荷重が加えられた状態で、前記第１及び第２板バネ４２，４６の他端間の中央部分に設けられる前記設置部４８に対し一体成形により弁体３１を設けることで、弁体３１の前面を平滑化することができる。

【0049】

本発明の実施の形態における圧電アクチュエータは、圧電式バルブ１０の弁座２６に当接する弁体３１の表面が、前記圧電素子３２に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されているので、圧電式バルブ１０に組み付けた際に、弁体３１の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクを軽減することができる。

【0050】

本発明の実施の形態における圧電アクチュエータは、特許文献１に記載されているように、前記弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで、圧電式バルブを組み立てることもできる。
本発明の実施の形態における圧電アクチュエータは、圧電式バルブの組み立てに際し、前記弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。

【0051】

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、その構成を適宜変更できることはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0052】

本発明の圧電アクチュエータは、積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに利用することができる。

【符号の説明】

【0053】

１０ 圧電式バルブ
２０ バルブ本体
２５ 弁座プレート
２５１ 前方突出部
２６ 弁座
２６１ 気体排出路
２８ 蓋材
２８１ 開口部
２８２ 気体吸入路
２９ 配線コネクタ
３０ 圧電アクチュエータ
３１ 弁体
３２ 積層型圧電素子
３３ 変位拡大機構
３４ 変位拡大部
３５ 変位伝達部
３６ ベース基板
３６１ Ｕ字状底部
３７ キャップ部材
３９ 第１ヒンジ
４０ 第２ヒンジ
４１ 第１アーム
４２ 第１板バネ
４３ 第３ヒンジ
４４ 第４ヒンジ
４５ 第２アーム
４６ 第２板バネ
４８ 設置部
５０ コネクタ部
５１ 気体吸入口
５２ 気体排出口
５５ 配線基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】